DE3919145A1

DE3919145A1 - Verfahren und vorrichtung zum beschichten eines substrats mit elektrisch leitenden werkstoffen

Info

Publication number: DE3919145A1
Application number: DE3919145A
Authority: DE
Inventors: Eggo Dipl Ing Sichmann; Thomas Dr Krug; Stephan Dipl Ing Kempf
Original assignee: Leybold AG
Current assignee: Balzers und Leybold Deutschland Holding AG
Priority date: 1989-06-12
Filing date: 1989-06-12
Publication date: 1990-12-13
Also published as: US5006213A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beschichten eines Substrats mit elektrisch leitenden Materialien, vorzugs weise mit Aluminium, mit einer Gleichstromquelle, welche mit einer in einer evakuierbaren Beschichtungskammer ange ordneten Elektrode verbunden ist, die elektrisch mit einem Target in Verbindung steht, das zerstäubt wird und dessen zerstäubte Teilchen sich auf dem Substrat, beispielsweise einem Kunststoffteil, niederschlagen, wobei in die Be schichtungskammer ein Prozeßgas einbringbar ist, sowie die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Bei bekannten Verfahren wird eine Aluminiumschicht unmit telbar auf das Kunststoffsubstrat, z. B. auf Polykarbonat, aufgesputtert, und zwar ohne eine Zwischen- oder Haft schicht.

Dieses Verfahren hat den Nachteil, daß das Haftungsvermö gen des Aluminiums sehr begrenzt ist, d. h. daß es zum Beispiel bei der Weiterverarbeitung des beschichteten Substrats erfahrungsgemäß zu einer Schichtablösung kommen kann.

Der vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zu grunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, die geeignet sind, die Haftfestigkeit einer aufgesputter ten Aluminiumschicht auf dem Kunststoffsubstrat wesentlich zu verbessern, ohne daß herkömmliche bzw. bereits vorhan dene Vorrichtungen oder Anlagen dafür ungeeignet sind bzw. ohne daß an diesen wesentliche oder kostspielige Umbauten oder Änderungen vorgenommen werden müssen. Ebenso soll die Betriebssicherheit nicht geringer sein als die der her kömmlichen Anlagen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß über ein Rohrleitungssystem in dem Kathodenbereich während des Beschichtungsvorgangs Wasserstoff und/oder Wasserdampf einleitbar ist, wobei etwa 1/5 des Sputterdrucks vom ein geleiteten Wasserstoff oder Wasserdampf bewirkt wird. Vor zugsweise findet eine Vorrichtung Verwendung mit einem mit Wasserdampf oder Wasserstoff gefüllten Behälter und mit einer diesen Behälter mit der Beschichtungskammer verbin denden Zufuhrleitung und einem in diese eingeschalteten Ventil zum Einlassen einer bestimmten Menge Wasserdampf oder Wasserstoffgas in die Beschichtungskammer.

Die Erfindung läßt die verschiedensten Ausführungsmöglich keiten zu; eine davon ist in der anhängenden Zeichnung schematisch näher dargestellt, und zwar zeigen:

Fig. 1 eine Sputteranlage für das DC-Sputtern und

Fig. 2 eine graphische Darstellung der Abhängig keit des Kathodenstroms von der Kathoden spannung sowie die Sputterrate über der Sputterleistung bei einer Sputteranlage des in Frage stehenden Typs.

In der Zeichnung ist ein Substrat 1 dargestellt, das mit einer dünnen, Metallschicht 2 versehen werden soll. Diesem Substrat 1 liegt ein Target 3 gegenüber, das zu zerstäuben ist. Das Target 3 steht über ein im Schnitt U-förmiges Element 4 mit einer Elektrode 5 in Verbindung, die auf einem Joch 6 ruht, welches zwischen sich und dem Element 4 drei Dauermagnete 7, 8, 9 einschließt. Die auf das Target 3 gerichteten Polaritäten der Pole der drei Dauermagnete 7, 8, 9 wechseln sich ab, so daß jeweils die Südpole der beiden äußeren Dauermagnete 7, 9 mit dem Nordpol des mitt leren Dauermagneten 8 ein etwa kreisbogenförmiges Magnet feld durch das Target 3 bewirken. Dieses Magnetfeld ver dichtet das Plasma vor dem Target 3, so daß es dort, wo die Magnetfelder das Maximum ihres Kreisbogens besitzen, seine größte Dichte hat. Die Ionen im Plasma werden durch ein elektrisches Feld beschleunigt, das sich aufgrund einer Gleichspannung aufbaut, die von einer Gleichstrom quelle 10 angegeben wird. Diese Gleichstromquelle 10 ist mit ihrem negativen Pol über zwei Induktivitäten 11, 12 mit der Elektrode 5 verbunden. Das elektrische Feld steht senkrecht auf der Oberfläche des Targets 3 und beschleu nigt die positiven Ionen des Plasmas in Richtung auf die ses Target. Hierdurch werden mehr oder weniger viele Atome oder Partikel aus dem Target 3 herausgeschlagen, und zwar insbesondere aus den Gebieten 13, 14, wo die horizontale Komponente des Magnetfeldes ihr Maximum hat. Die zerstäub ten Atome oder Partikel wandern in Richtung auf das Sub strat 1, wo sie sich als dünne Schicht 2 niederschlagen.

Die aus dem Target 3 herausgeschlagenen Metallpartikel reagieren in einem Raum 15 auf der Substratoberfläche mit bestimmten Gasen, die aus Gasbehältern 16, 17 über Ventile 18, 19 und Einlaßstutzen 20, 21 mittels Gaszuführungslei tungen 22, 23 in diesen Raum 15 geleitet werden. Dieser Raum 15 wird durch zwei Behälter 24, 25 gebildet, von denen der eine Behälter 25 das Substrat 1 mitumfaßt, während der andere Behälter 24 vor dem Substrat 1 endet und eine Blende 26 bildet. Beide Behälter 24, 25 und damit auch das Substrat 1, das auf dem Boden des Behälters 25 ruht, liegen elektrisch auf Masse. An Masse liegt auch der zweite Anschluß 27 der Gleichstromquelle 10, deren erster Anschluß 28 außer an die Induktivitäten 11, 12 auch noch an einen Kondensator 29 angeschlossen ist, der seinerseits an Masse liegt.

Das Gas gelangt bei der Anordnung zwar in den Zwischenraum zwischen dem ersten und dem zweiten Behälter 25, 24, doch könnte es auch über ein die Kathode 5 umgebendes Gasver teilungssystem dem zweiten Behälter 24 zugeführt werden.

Für die Steuerung der dargestellten Anordnung kann ein Prozeßrechner vorgesehen werden, der Meßdaten verarbeitet und Steuerungsbefehle abgibt. Diesem Prozeßrechner können beispielsweise die Werte des gemessenen Partialdrucks in der Prozeßkammer 25 zugeführt werden. Aufgrund dieser und anderer Daten kann er zum Beispiel den Gasfluß über die Ventile 18, 19 regeln und die Spannung an der Kathode ein stellen. Der Prozeßrechner ist auch in der Lage, alle anderen Variablen, zum Beispiel Kathodenstrom und magneti sche Feldstärke zu regeln. Da derartige Prozeßrechner bekannt sind, wird auf eine Beschreibung ihres Aufbaus verzichtet.

In der Fig. 2 sind die Vorgänge, die sich beim Gleich strom-Magnetron-Sputtern abspielen, graphisch dargestellt. Man erkennt aus der Darstellung, die sich auf eine reine Inertgasatmosphäre aus Argon und auf einen Gasdruck von 7×10^-3 mbar bezieht, daß der Kathodengleichstrom eine eindeutige Funktion der Gleich-Kathodenspannung ist und umgekehrt. Da der Widerstand mit zunehmender Spannung abfällt, was auf die Bildung eines leitfähigen Plasmas zurückzuführen ist, steigt der Strom J=f (U) in etwa parabelförmig an. Die Sputterrate R, welche in Å/s aus gedrückt ist, nimmt linear mit zunehmender Sputterleistung zu, was durch die Gerade R=f (Pel) zum Ausdruck kommt. Bei 440 Watt, was einer Leistungsdichte von 10 Watt/cm² entspricht, beträgt die Rate 50 Å/s.

Wie Fig. 1 zeigt, ist neben den beiden Gaszuführungslei tungen 22, 23 noch die Zuführungsleitung 30 mit dem Ein laßstutzen 31 vorgesehen, die den Behälter 32 mit dem Raum 15 verbindet, wobei in die Leitung 30 ein Ventil 33 eingeschaltet ist.

Um die Haftfähigkeit der Schicht 2 auf dem Substrat 1 zu verbessern, kann insbesondere zu Beginn des Sputtervor gangs (eine geringe Menge) Wasserdampf aus dem Behälter 32 in den Raum 15 eingelassen werden. Dieser Wasserdampf wird im Behälter 32 erzeugt, der von einem Heizer 34 beheizt wird.

Anstelle von Wasserdampf kann auch Wasserstoffgas Verwen dung finden, was die Haftfestigkeit weiter erhöht, aller dings eine besondere Umsicht beim Betrieb der Anlage erfordert, da Leckagen eine gewisse Explosionsgefahr schaffen können.

Auflistung der Einzelteile

1 Substrat
2 Schicht
3 Target
4 U-förmiges Element
5 Elektrode
6 Joch
7 Dauermagnet
8 Dauermagnet
9 Dauermagnet
10 Gleichstromquelle
11 Induktivität
12 Induktivität
13 Sputtergraben (Gebiet)
14 Sputtergraben (Gebiet)
15, 15a Raum, Beschichtungskammer
16 Gasbehälter
17 Gasbehälter
18 Ventil
19 Ventil
20 Einlaßstutzen
21 Einlaßstutzen
22 Gaszuführungsleitung
23 Gaszuführungsleitung
24 Behälter
25 Behälter, Prozeßkammer
26 Blende
27 elektrischer Anschluß (Masse-Leitung)
28 elektrischer Anschluß
29 Kondensator
30 Zufuhrleitung
31 Einlaßstutzen
32 Behälter
33 Ventil
34 Heizer

Claims

1. Verfahren zum Beschichten eines Substrats mit elek trisch leitenden Materialien, vorzugsweise mit Alumi nium, mit einer Gleichstromquelle, welche mit einer in einer evakuierbaren Beschichtungskammer angeordne ten Elektrode verbunden ist, die elektrisch mit einem Target in Verbindung steht, das zerstäubt wird und dessen zerstäubte Teilchen sich auf dem Substrat, beispielsweise einem Kunststoffteil, niederschlagen, wobei in die Beschichtungskammer ein Prozeßgas ein bringbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß über ein Rohrleitungssystem in den Kathodenbereich zusätzlich zum Prozeßgas während des Beschichtungsvorgangs Wasserstoff und/oder Wasserdampf einleitbar ist, das eine Erhöhung der Haftung der aufgesputterten Schicht auf dem Substrat bewirkt.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach An spruch 1, bestehend aus einer Beschichtungskammer (15, 15a), einer in dieser angeordneten Elektrode (5) mit einem mit dieser verbundenen Target (3), einem diesem Target gegenüberliegend gehaltenen Substrat (1), einer mit der Elektrode (5) verbundenen Gleich stromquelle (10), mit einem oder mehreren Gasbehäl tern (16, 17), die über Gaszuführungsleitungen (22, 23) mit in diese eingeschalteten Ventilen (18, 19) mit der Beschichtungskammer (15, 15a) in Verbindung stehen, gekennzeichnet durch einen mit Wasserdampf oder Wasserstoff gefüllten Behälter (32) und mit einer diesen Behälter (32) mit der Beschichtungs kammer (15, 15a) verbindenden Zuführleitung (30) und einem in diese eingeschaltetes Ventil (33) zum Ein lassen einer vorbestimmten Menge Wasserdampf oder Wasserstoffgas in die Beschichtungskammer (15, 15a).